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Nove das maiores perguntas não respondidas sobre matéria escura

Nove das maiores perguntas não respondidas sobre matéria escura


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As questões em torno da matéria escura são alguns dos mistérios da física mais importantes de nossa era moderna. A existência de matéria escura foi inicialmente proposta pelo astrônomo holandês Jacobus Kapteyn em 1922, usando pesquisas sobre velocidades estelares. Então, em 1933, Fritz Zwicky notou algo estranho no distante aglomerado de galáxias Coma.

O astrônomo suíço-americano descobriu que a massa de todas as estrelas no aglomerado de galáxias Coma fornecia apenas cerca de 1% da massa necessária para impedir que as galáxias escapassem da atração gravitacional do aglomerado. Na verdade, a matéria escura foi inicialmente chamada de "matéria ausente", porque os astrônomos não conseguiram encontrá-la observando o universo usando qualquer parte do espectro eletromagnético. Foi só na década de 1970 que a existência de matéria escura foi oficialmente confirmada pelos astrônomos americanos Vera Rubin e W. Kent Ford.

Então, qual é o hype atual em torno da matéria escura? Você pode ter visto sua referência em filmes de ficção científica ou programas de TV ou até mesmo lido sobre isso no noticiário, já que a comunidade científica trabalha para entendê-la melhor. A compreensão adequada dessa matéria ausente pode ajudar os cientistas a entender melhor a natureza precisa do universo e talvez até mesmo como nosso universo terminará.

A matéria escura é muito mais prevalente do que pensamos, de acordo com algumas teorias. A quantidade de matéria escura pode nos mostrar se o universo está se expandindo, ou se pode entrar em colapso em algum momento no futuro distante, ou parar de se mover completamente. A matéria escura também pode ajudar os pesquisadores a entender melhor como funciona a gravidade ou como as galáxias se formam. A lista continua. No entanto, ainda existem muitas perguntas sem resposta sobre a matéria escura que precisam ser resolvidas antes que os astrônomos possam avançar. Hoje é isso que vamos explorar. Vamos começar.

1. O que exatamente é matéria escura?

Se você ainda não tem certeza do que é matéria escura, você não está sozinho. Embora muitos pesquisadores acreditem que a matéria escura constitui 85% da matéria no universo, ainda não há um acordo sobre o que exatamente é a matéria escura. Ainda mais, quanto mais estudamos a matéria escura, mais turvas as coisas parecem ficar. No entanto, existem duas teorias principais para a natureza da matéria escura.

Uma é a sugestão de que a matéria escura é composta de estrelas mortas comuns, mas difíceis de ver, ou de enormes objetos planetários frios. Esses objetos se acumulam dentro das galáxias em um "halo" e são chamados de "Massive Compact Halo Objects", ou MACHOs.

A outra teoria popular é que a matéria escura é composta de partículas não descobertas que foram criadas no Big Bang e existem em toda parte. Eles são chamados de partículas maciças de interação fraca ou WIMPs. Esta é atualmente a teoria principal.

O físico Don Lincoln, do Fermilab do Departamento de Energia dos Estados Unidos, expandiu essa ideia em seu artigo para a Livescience afirmando: "Nunca observamos diretamente a matéria escura, mas sabemos muito sobre o que deve ser: deve ser maciça (porque afeta a rotação das galáxias); deve ser eletricamente neutro (porque não podemos vê-lo); deve ser diferente da matéria comum (porque não vemos evidências de que ele interaja com a matéria das formas usuais) e deve ser estável (porque ele existe desde o início do universo). Essas propriedades são inequívocas. "

"No entanto, não sabemos exatamente o que é. Na teoria genérica mais popular, a partícula de matéria escura é chamada de WIMP, para partículas massivas de interação fraca. WIMPs são como nêutrons pesados ​​(mas definitivamente não são nêutrons), com uma massa de 10 a 100 vezes mais pesada do que um próton. Eles foram criados em grandes quantidades durante o Big Bang, e um pequeno resto de relíquia persiste até hoje. "

No entanto, mesmo que esses WIMPs sejam quase imperceptíveis, eles devem estar em todos os lugares e devemos ser capazes de interagir com eles de alguma forma. Essa foi a teoria prevalecente por um longo período de tempo. Ao longo das décadas, os pesquisadores construíram máquinas para detectar as partículas WIMP de matéria escura sem sucesso, até recentemente.

Um detector de matéria escura na Itália recentemente voltou com resultados positivos. No entanto, o experimento DAMA é muito controverso, como outros detectores de matéria escura ao redor do mundo, oferecendo resultados conflitantes. No momento, ainda não temos provas definitivas de que essas partículas teóricas sequer existam.

2. A matéria escura não deveria interagir com algo?

Sim absolutamente. Mas isso é muito mais difícil do que você imagina. Primeiro, os pesquisadores só podem estudar a matéria escura vendo como ela afeta o universo ao seu redor. Até aqui, a única coisa que foi observada são os efeitos gravitacionais da matéria escura, que obscurecem ainda mais nossas idéias sobre o assunto.

A partir de estudos anteriores do fenômeno da matéria escura, sabemos que ele afeta objetos celestes. Mas e se a matéria escura não for uma partícula? Talvez seja um campo? Ou talvez não entendamos totalmente como a gravidade funciona.

Em 2015, os pesquisadores observaram quatro grandes aglomerados do que eles acreditavam ser matéria escura em torno de quatro galáxias em colisão. Suas observações mostraram um dos aglomerados estranhamente atrasado em relação à galáxia. Isso não apenas pareceu confirmar que a matéria escura afeta as galáxias, mas também demonstrou que a matéria escura poderia interagir com outra matéria escura. No entanto, ainda precisamos ver se a matéria escura interage com a matéria comum.

3. Existe uma maneira de estudar adequadamente a matéria escura?

Como mencionado acima, pesquisadores tentaram detectar partículas de matéria escura por anos, sem sucesso. No entanto, se a teoria WIMP estiver correta, seria muito difícil medi-los adequadamente. No entanto, se assumirmos que essas partículas estão viajando pelo espaço, em algum ponto, a matéria escura deve interagir com uma forma mais familiar de matéria comum, como um próton ou elétron.

Para medir isso, os pesquisadores construíram experimento após experimento para estudar as interações de partículas comuns no subsolo, onde são protegidas da radiação interferente que poderia imitar uma colisão de partículas de matéria escura. No entanto, mesmo o experimento chinês PandaX mais recente ainda não produziu resultados conclusivos. Uma teoria prevalecente para explicar isso é que as partículas de matéria escura são, na verdade, muito menores do que os WIMPs e, portanto, muito difíceis de detectar.

4. A matéria escura poderia ser feita de mais de uma partícula?

Esta pergunta faz muito sentido. Afinal, a matéria comum não é feita apenas de prótons e elétrons. Ele também contém uma série de partículas "exóticas", como neutrinos, múons e píons. Não seria muito estranho acreditar que a matéria escura tem uma mistura "exótica" semelhante de partículas. "Partículas de matéria escura consistiriam essencialmente em 'prótons escuros' pesados ​​e 'elétrons escuros' claros", diz Charles Q. Choi.

"Eles interagiriam entre si muito mais do que outras partículas de matéria escura para formar 'átomos escuros' que usam 'fótons escuros' para interagir por meio de uma espécie de 'eletromagnetismo escuro', assim como prótons e elétrons regulares interagem por meio de fótons no eletromagnetismo convencional para construir os átomos que constituem o material da vida cotidiana. Se os átomos escuros forem possíveis, eles poderiam reagir uns com os outros para a química escura, da mesma forma que os átomos regulares interagem quimicamente. "

5. E quanto às forças das trevas?

Não, não estamos falando sobre o lado negro da força. No entanto, pode funcionar de forma semelhante para todos que sabemos. Como mencionado acima, a matéria escura pode ser composta do que é chamado de partículas escuras. A maneira como os prótons e elétrons escuros interagem entre si poderia explicar por que a matéria escura se aglomera, formando halos esféricos ao redor de galáxias, estrelas e planetas.

Isso também pode abrir a possibilidade da existência de fótons escuros. O que são fótons escuros, você pergunta? Em suma, são fótons trocados entre partículas normais que dão origem à força eletromagnética, exceto que seriam sentidos apenas por partículas de matéria escura. Teorias como essas poderiam abrir uma caixa de Pandora de todo um outro lado do universo.

6. E se a matéria escura for matéria de axiomas?

Enquanto alguns pesquisadores continuam a se concentrar na teoria WIMP, em busca de partículas fracas, a atenção foi transferida para outra partícula, axiomas. Essas são partículas ultraleves, bilhões de vezes mais leves que o elétron. Eles são considerados por alguns como excelentes candidatos para a matéria escura, por várias razões.

Primeiro, sua presença invisível explicaria por que o universo é muito mais pesado do que parece. Em segundo lugar, a partícula também mostraria por que as duas forças fundamentais que formam os núcleos atômicos seguem livros de regras diferentes. O Axion Dark Matter Experiment (ADMX) da Universidade de Washington está atualmente liderando a investigação de axiomas e ciência da matéria escura.

O axião é candidato à matéria escura, pois, assim como a matéria escura, ele não pode interagir com a matéria regular. Esse distanciamento também torna o áxion, se ele existe, extremamente difícil de detectar. Essa estranha partícula também poderia ajudar a resolver um enigma de longa data na física conhecido como "o problema do CP forte".

7. Se a matéria escura existe em todos os lugares, não deveria existir em todas as galáxias?

Uma das principais teorias sobre a matéria escura é que ela desempenha um papel vital na formação das galáxias. Acredita-se que a matéria escura desempenha um papel no controle e organização da formação de grandes estruturas celestes. No entanto, os pesquisadores descobriram uma galáxia que parece não ter matéria escura.

Se pensarmos na matéria escura como o andaime que mantém o universo unido, por que uma galáxia não teria essas estruturas cruciais? Uma resposta é que a matéria escura pode não desempenhar um papel tão importante na formação dos corpos celestes como se pensava anteriormente.

8. E quanto à nossa detecção positiva de partículas de matéria escura?

Como mencionado acima, a pesquisa do projeto italiano DAMA, que relatou a descoberta de matéria escura, é altamente controversa. Para encontrar as misteriosas e elusivas partículas de matéria escura, pesquisadores de todo o mundo criaram detectores subterrâneos para tentar observar as partículas WIMP interagindo com a matéria comum.

Até o momento, o DAMA é o único projeto que conseguiu demonstrar a existência de partículas de matéria escura. Outros projetos de detectores importantes localizados em diferentes lugares ao redor do mundo relataram resultados conflitantes. Até hoje, a precisão dos resultados do DAMA é muito debatida.

9. As partículas comuns podem se decompor em matéria escura?

E se partículas comuns realmente se transformarem em partículas de matéria escura? Afinal, já vimos algo semelhante ocorrer em elétrons e nêutrons. Um nêutron solitário decairá lentamente em um próton enquanto um elétron decairá em um nêutron. Alguns pesquisadores acreditam que 1% dessas partículas realmente decaem em partículas escuras. Bartosz Fornal e Benjamín Grinstein, da Universidade da Califórnia, San Diego, propõem uma solução para essa discrepância que assume que os nêutrons decaem 1% do tempo em partículas de matéria escura. Como os experimentos de feixe não detectariam esses decaimentos, sua vida útil inferida de nêutrons seria maior que o valor real.

Você acha que finalmente entenderemos a matéria escura no futuro?


Assista o vídeo: Galáxias e Matéria Escura - Rubens Machado (Outubro 2022).